PMMA材料在車身輕量化方面的應用

高云凱邱 娜欒大齊徐 航趙 勇

（1.同濟大學；2.贏創德固賽（中國）投資有限公司；3.上海汽車股份有限公司乘用車分公司）

1 前言

節能、環保、安全是未來汽車發展的主題，而汽車輕量化技術是實現這一目的的主要途徑，其中車身輕量化更是提高汽車動力性、降低油耗、節約材耗的關鍵[1]。車身輕量化與使用材料密切相關，如鎂合金等金屬結構材料[2]、塑料及其復合材料在輕量化中起到了重要作用。采用塑料及其復合材料可減輕汽車零部件約40%的質量，可降低成本40%，因此開發塑料和復合新材料是車身輕量化發展的趨勢。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）具有質量輕、光學性能優良、耐候性好等優點，被廣泛應用于車身各部件上。

PMMA俗稱亞克力或有機玻璃，是一種可回收的熱塑性工程塑料。本文介紹了PMMA塑料在汽車尾燈燈罩、內外飾、固定窗、外裝遮陽罩、保險杠等方面的應用，并針對PMMA塑料在車門側窗玻璃上的應用，從材料和產品性能兩方面進行了試驗研究和仿真分析。

2 PMMA塑料在車身輕量化上的應用

2.1 在尾燈燈罩上的應用

由于PMMA塑料具有優良的光學性能和耐候性[3]，同時質量輕、易于著色，因此汽車尾燈燈罩一般由PMMA塑料制成，這樣既減輕了車身質量，又美化了車身外觀。

2.2 在內、外飾上的應用

由于PMMA塑料比一般塑料的光澤度高、表面硬度高，在熱塑性材料中抗刮擦能力強，因此PMMA塑料廣泛應用于汽車內、外飾上，如汽車標牌、車門擋雨板、車窗隔板、反光鏡外蓋和車頂導板等外飾件以及高光澤裝飾蓋等內飾件。

2.3 在固定窗上的應用

由PMMA塑料制成的固定窗具有抗紫外線輻射、抗老化風化等特點，目前已應用于長安奔奔車型的固定三角窗上。

2.4 在外裝遮陽罩上的應用

利用PMMA塑料優良的光學性能制成的外裝遮陽罩[4]，既遮陽又透光，還能徹底濾掉有害紫外線，同時可保證前方視野清晰。

2.5 在汽車保險杠上的應用

多層復合塑料板材（ABS+PMMA）[5]可用于制造汽車后保險杠[6]。該板材具有優良的抗劃傷、抗沖擊、抗紫外線能力及抗退色能力且環保，因此非常適合汽車工業輕量化對板材的高質量要求，同時可降低汽車零部件的制造成本。

2.6 其它應用

除上述已成熟的應用外，為了對PMMA塑料在未來汽車應用領域開展可行性研究提供參考，PMMA塑料開始用于正在試制的賽車和概念車上。如贏創工業集團將PMMA塑料應用于蓮花賽車前風擋和側窗玻璃，使得乘客的視野清晰，同時耐輻射性能和抗老化風化性能都有提高；通用汽車公司在2010年上海國際橡塑展上展出的一輛雙座電動聯網概念車[7]的車身和頂棚即由PMMA等塑料加工而成，車身短小輕便。

3 PMMA側窗玻璃性能研究

雖然PMMA塑料已經成熟應用于汽車天窗和固定窗，但現階段將PMMA塑料應用于車門移動窗玻璃還較少，主要原因是車門玻璃耐磨性要求較高。為此，從材料性能和制品性能2個方面對PMMA塑料在汽車后門側窗玻璃上的應用進行試驗研究。

3.1 材料性能

由于目前我國還沒有針對塑料車窗的法規，為此，參照ECE R43法規[8]對涂層PMMA玻璃片材、PMMA玻璃片材、不加涂層PC玻璃片材及無機玻璃片材分別進行抗磨性試驗、人頭模擬沖擊試驗和抗沖擊試驗，對比4種材料的力學性能。試驗方法[8]見表1，抗磨性試驗結果見表2。

表1 試驗方法

表2 抗磨性試驗結果

試驗結果表明，在人頭模擬沖擊試驗和抗沖擊試驗中，4種材料的試驗結果都符合評判標準。由表2可知，在抗磨性試驗（4種材料各3塊樣件）中，PC玻璃片材外表面連續磨耗1000轉后的霧度大于2%，抗磨性不合格；PMMA玻璃片材、涂層的PMMA玻璃片材和無機玻璃片材外表面連續磨耗1000轉后的霧度均小于2%，PMMA玻璃片材和涂層PMMA玻璃片材內表面連續磨耗100轉后的霧度均小于4%，均符合標準規定，而且加涂層PMMA與無機玻璃耐磨性相近，說明加涂層PMMA玻璃符合汽車側窗玻璃對耐磨性的要求。

在同等條件下對PMMA、PC和無機玻璃3種材料的其它性能進行了對比，結果見表3。由表3可知，與無機玻璃相比，PMMA的密度小，其理論減重50%，輕量化效果顯著；PMMA在易成型性、耐沖擊性等方面更具有優勢，且抗磨性與無機玻璃相近；與PC玻璃相比，PMMA在抗磨性、耐候性、剛性等方面更具有優勢。由此可知，PMMA綜合了無機玻璃和PC的優點，是理想的玻璃材料。

表3 3種材料的性能對比結果

3.2 制品性能

以某A級車后門側窗玻璃為例，從PMMA玻璃的熱學性能、力學性能和聲學性能方面對其在移動窗玻璃上的應用進行試驗和仿真分析。

3.2.1 熱學性能

在溫度分別為-17.9℃、25℃、50℃的環境倉內對PMMA玻璃和無機玻璃進行熱協調試驗（圖1），研究經過10000次升降后PMMA玻璃和無機玻璃的熱協調性能，試驗結果見表4。由表4可知，PMMA玻璃在不同溫度下升降電流變化不大，即平順性變化不大，表明PMMA玻璃的熱協調性比無機玻璃好。

表4 不同溫度下PMMA玻璃和無機玻璃熱協調性能對比結果

3.2.2 力學性能

考慮到PMMA玻璃剛度比無機玻璃小，在升降過程中可能存在與密封條、窗框產生偏差干涉問題，因此從玻璃運動偏差、升降平順性、密封條變形、疲勞耐久性、密封條截面優化等方面進行分析。

3.2.2.1 玻璃運動偏差分析

選取玻璃上12行4列點（圖2），由三坐標測量儀測得玻璃運動過程中與窗框的偏差[9]，結果如圖3所示。圖3中黑點表示玻璃上點的位置，線條長短表示該點偏差值大小，由于無機玻璃線條比PMMA玻璃的線條長，即PMMA玻璃的運動偏差小于無機玻璃。

3.2.2.2 升降平順性分析

通過測量玻璃的升降電流曲線來衡量玻璃的升降平順性[10]。由表4可知，常溫下經10000次升降后PMMA玻璃的升降電流比無機玻璃的小很多，說明PMMA玻璃比無機玻璃的平順性好，升降周期縮短，電流變化平緩。

3.2.2.3 疲勞耐久性分析

利用疲勞耐久試驗機 （圖4）分別對PMMA玻璃和無機玻璃進行 3000、5000、10000次升降后再測量玻璃的運動偏差和升降電流，并觀察密封條狀態。結果表明，經過10000次升降后，PMMA玻璃的運動偏差變化程度和升降電流變化程度均比無機玻璃小，性能較穩定；而無機玻璃在3500次升降后開始出現異響，密封條局部嚴重磨耗。因此，PMMA玻璃比無機玻璃疲勞耐久性好。

3.2.2.4 密封條仿真與截面優化

上述試驗中選取的是與無機玻璃相配合的密封條，而PMMA玻璃在應用過程中需要設計與其相配合的密封條截面形狀，因此通過對與PMMA玻璃相配合的密封條進行動力學仿真 （圖5），研究了PMMA玻璃與密封條的干涉情況[11]，進而設計與PMMA玻璃最匹配的密封條形狀。圖6為優化前、后的密封條截面形狀，其中1、2、3、4表示密封條截面優化部分?？芍?，與優化前相比，優化后密封條的應力減小，玻璃運動對密封條磨耗降低。

3.2.3 聲學性能

對PMMA玻璃的聲學性能進行驗證，分析在實際應用中能否滿足汽車玻璃的聲學要求，以保證乘客的舒適性。

根據 GB/T 19899.3（ISO140—3），在同濟大學聲學所對PMMA玻璃和無機玻璃的隔聲性能進行測試（圖7）。試驗結果表明，PMMA玻璃的計權隔聲量Rw（C；Ctr）為 25.3（-1；-3）dB，而無機玻璃的為 26.8（-2；-4）dB。對比2種材料玻璃制品的隔聲量曲線（圖8）可知，PMMA玻璃在高頻段隔聲量稍有下降，但在人耳比較敏感的中低頻噪聲環境中，與傳統無機玻璃隔聲性能相當，因此對車內噪聲影響較小。

此外，在全消聲室內對PMMA玻璃和無機玻璃的輻射噪聲進行測試（圖9）。測試方法是采用激振器對車門進行激勵，在距車窗玻璃中心不同距離處，利用傳聲器測量因車門玻璃振動而輻射噪聲值。對比PMMA玻璃與無機玻璃聲輻射曲線 （圖10）可知，在0.75 m的范圍內，PMMA玻璃的A聲級比無機玻璃A聲級高約1～2 dB，表明在相同激勵下，PMMA玻璃比無機玻璃聲輻射能力要強，這與PMMA玻璃剛度小有很大關系。可選擇硬度較小的的密封條材料來減緩由車門傳到側窗玻璃上的振動，從而降低聲輻射；也可通過適當增大PMMA玻璃厚度提高其剛度，以降低振動幅度，從而減小輻射噪聲。

4 結束語

針對PMMA塑料在汽車玻璃上的應用進行了試驗研究。研究表明，加涂層PMMA玻璃的耐磨性與無機玻璃相近，在輕量化、耐沖擊性等方面優于無機玻璃；由PMMA塑料制成的玻璃破碎時不會產生尖銳碎片，使其安全性得到提高。

通過分析PMMA側窗玻璃的力學性能、熱學性能和聲學性能可知，PMMA玻璃與窗框、密封條的協調性能比無機玻璃好，熱協調性能提高，且升降更平順，在基本保證性能的同時能夠有效地減輕車身質量。

1 高云凱.汽車車身結構分析.北京:北京理工大學出版社，2005.

2 高云凱，李彩玉，孫芳，等.基于變形鎂合金的座椅靠背骨架輕量化設計.汽車技術，2010（4）:57～61.

3 宋義飛，李中斌，史榮波.非透明PMMA材料在汽車上的應用.中國汽車工程學會.安徽:汽車內外飾產品及新材料國際研討會，2009:69～70.

4 李幫山.國外重型載貨車用非金屬材料.汽車工藝與材料，2005（1）:20～22.

5 肖俊恒.減振橡膠設計方法的研究.中國鐵道科學，2001（6）:111～116.

6 高斌，吳百中.基于新型免涂裝復合塑料板材的吸塑成型汽車零件技術.輕工機械，2009，20（3）:84～90.

7 治明.通用EN-V微型電動概念車.國外塑料2010，28（6）:65.

8 ECE R43，Uniform provisions concerning the approval of safety glazing materials and their installation on vehicles.

9 Qiu Na， Luan Daqi， Gao Yunkai.A Test Method for Auto?motive Door Glass Motion Deviation.Chinese Construction machinery society.ShangHai:Proceedings of 2011 Interna?tional Conference on Advances in Construction Machinery and Vehicle Engineering.2011:393～396.

10 Kaushlendra Singh，Experimental Assessment Of Door Window Glass Smooth Operation And Tracking，SAE1999-01-3161.

11 Makoto Kanamori， Yukio Isomura， Katsuhiro Suzuki， Dy?namic Finite Element Analysis of Window Regulator Link?age System Using LS-DYNA，SAE980308.